ORGANISATION DES PROTÉINES DANS LA CELLULE
Les protéines sont disposées dans les cellules selon un ordre fonctionnel : Elles s’associent entre elles et avec les autres molécules (lipidiques glucidiques) (croissance division excitation sécrétion production d’énergie etc...)
Associations sont dictées par leurs propriétés physico-chimiques. Dans la plupart des cas ces ensembles de molécules réalisent des structures qui peuvent être rendues visibles par des méthodes cytologiques en particulier par des méthodes de microscopie électronique. On dit alors que ces ensembles constituent des organites cellulaires comportant pour la plupart une structure membranaire les biomembranes.
Les biomembranes cellulaires
1-constitution générale
Toutes les membranes cellulaire sont essentiellement constituées double couche phospholipidique dans laquelle sont disposées des molécules protéiques.
- Structure de la double couche lipidique
- Les phospholipides ont la propriété de s’associer par des lisons hydrophobes par contact latéral des chaines d’acides gras pour former un feuillet et par l’extrémité CH3 de ces chaines réunissant les deux feuilles. Ainsi les deux faces externes du membre sont constituées par la partie phospholipides Les différentes types de protéines membranaires :
- Suivant leur localisation par rapport a la double couche lipidique on peut décrire deux types de protéines de membrane
*les protéines intégra les traversent de part en part la membrane partie N-terminale souvent porteuse de glucides (GLYCOPROTEINES) est en général située vers l’extérieur lorsqu’il s’agit d’un membre plasmique ou du coté opposé au cytoplasme dans autres types de membranes cellulaires.
Leur partie centrale est constituée de résidus d’AA apolaires qui contractent des liaisons hydrophobes avec les chaines aliphatiques des lipides
Enfin leur partie interne comporte des acides aminés polaires.
Les zones polaires de ces protéines échangent des liaisons ioniques avec les zones polaires de la double couche lipidique.
*l’autre type de protéine membranaire est dit périphérique
2-fonctions des protéines de membrane
Ces protéines peuvent exercer des fonctions diverses : structurales de reconnaissance ou enzymatiques.
a- Les protéines structurales
b- Les récepteurs membranaires
- Certaines protéines intégrales jouent le rôle de protéines structurales .dans le cas de la membrane plasmique , elles seraient fixées sur la face exodoplasmique à des protéines faisant partie du cytosquelette et sur face exo plasmique a des protéines qui entrent dans la constitution du tissu conjonctif comme la fibronectine .il existe donc une continuité entre toutes les molécules qui exercent un rôle architectural de soutien qu’elles soient intracellulaires ou péri-cellulaires
- D’autres protéines intégrales généralement groupées en dimères ou en tétramères constituent des canaux dont l’orifice central livre passage à certaines molécules (sels minéraux oses acides gras acides aminés, protéines) auxquels la double couche lipidique est imperméable.
- D’autres protéines intégrales participent aux systèmes de jonction intercellulaire.
- Toutes les membranes jouent un rôle de barrière de perméabilité .elles sont orientées et maintiennent les différences de composition entre les différents compartiments : l’extérieur et l’intérieur de la cellule
- A l’intérieur même de la cellule (organites)
- b- les récepteurs membranaires :
- Certaines protéines membranaires dites récepteurs sont capables de fixer certaines molécules .s’ils s’agissent des protéines intégrales elles peuvent leur faire traverser la membrane. S’il s’agit de protéines de la face exo plasmique, elles peuvent changer de configuration et transmettre a des protéines de la face endoplasmique une série de modifications qui réalisent l’activation de certaines fonctions cellulaires..C’est le cas de récepteurs d’hormones polypeptidiques.
- C) Les enzymes
- Il s’agit de protéines périphériques .Ces enzymes sont portées par la membrane plasmique et certaines membranes intracellulaires en sont particulièrement riches .Leur intégration aux membranes leur permet une disposition particulière qui favorise un fonctionnement coordonné. Par exemple la membrane mitochondriale interne sert de support à une série d’enzymes transporteuses d’électrons qui fonctionnent séquentiellement ; celles de l’appareil de godji et du rédiculum endoplasmique granulaire sont tapissées d’enzymes dont l’une de fonctions consiste a modifier les protéines qui viennent d’être synthétisées.
- D) Les protéines de reconnaissance
- La membrane plasmique des cellules nucléées porte sur sa surface externe des glycoprotéines périphériques ayant des caractères du complexe majeur d’histocompatibilité qui sont ubiquitaires .Ils ont pour rôle la reconnaissance entre les cellules et avec les tissus conjonctifs environnants. Ainsi les diverses cellules peuvent s’associer spécifiquement en tissus et organes (ces antigènes sont à l’origine des phénomènes de rejet de greffé par refus du non soi)
- Les antigènes de groupe sanguin situés à la surface des globules rouges sont en fait pour la plupart des glycolipides (As, A et B par exemple) rarement des glycoprotéines (Ag, M et N)
- On appelle glycocalys ou cal coat l’ensemble des molécules glycoproteiques ou glycanniques situées sur la face externe de la membrane cellulaire.
- 3) Les mouvements des membranes
- A-Resistance déformabilité, déchirure
- *La membrane est remarquablement résistante et relativement extensibles .Les propriétés des phospholipides lui permettent de se reconstituer en cas de déchirure..
- *Sa souplesse ne lui permet pas de conserver une forme définie .Cependant la forme de la cellule dépend à la fois du cytosquelette, des protéines fibrillaires extracellulaires qui l’entourent et des cellules voisines.
*Les membranes peuvent fusionner : il peut s’agir de fusion de vésicules intra cytoplasmiques ou de la membrane plasmique avec celle d’une vésicule.
Les cellules emploient ce processus soit pour sécréter des molécules à l’extérieur.
B-fluidité des membranes :
Les molécules lipidiques et protéiques de la membrane sont animées de plusieurs types de mouvement : déplacement latéral dans le plan de chaque couche lipidique passage d’une couche à l’autre perpendiculairement à la membrane (diffusion transversale ou phénomène de flip flop) flexion et rotation
b-1- les déplacements latéraux
les mouvements latéraux des phospholipides sont continuels importants et rapides. la diffusion latérale des protéines est facile pour certaines, en particulier pour celles qui sont périphériques. C’est ainsi que certains récepteurs peuvent s’assembler en certaines régions de la membrane plasmique. Leur regroupement rendrait leur fonctionnement plus intense.
B2.diffusion transversale
Le passage d’une molécule lipidique d’une couche a l’autre est beaucoup plus difficile. Ce mécanisme prend plus de temps. Le mécanisme de passage d’une couche lipidique a l’autre existe pour certaines protéines mais il est très rare. Ce phénomène de flip flop est mis a profit au moment de la biosynthèse de la membrane. Ces mouvements moléculaires sont a l’origine d’une certaine viscosité de la membrane qui est a peu prés cent fois plus élevée que celle de l’eau ce qui représente donc encore une fluidité importante. Cette fluidité de la membrane dépend d’abord de la nature des acides gras qui entrent dans la composition des phospholipides mais aussi des molécules de cholestérol présentes. en effet le cholestérol a un double rôle : il abaisse le point de fusion des molécules de phospholipides voisines (il les rend plus fluides) et aussi il modère les mouvements latéraux de ces molécules. Ainsi il maintient la fluidité de la membrane dans les limites physiologiques relativement étroites.
C) CYTOPLASME ET CYTOSQUELETTE
Diverses méthodes microscopiques permettent de révéler l’existence dans le cytoplasme de fibres de taille de diamètre de disposition et de localisation variées. Ces structures sont essentiellement de nature protéique.
1) les microtubules
Ils sont formés par la polymérisation d’une protéine appelée tubuline constituée elle-même de deux sous unités alpha et beta. Les molécules de tubuline polarisée s’associent d’abord pour former un anneau puis la tubuline apparait par opposition de nouvelles molécules de tubuline selon une direction définie conditionnée par leur polarité. L’ensemble du tubule est constitué de 13 filaments longitudinaux dans lesquels les sous unités alpha et beta alternent régulièrement et qui décrivent une hélice allongée formant la paroi. Le diamètre extérieur du tubule est de 25 nm.
Les microtubules ont été décelés dans la plupart des cellules, leurs expansions ainsi que dans les cils et dans les flagelles des spermatozoïdes .Ils ont un rôle essentiel dans le maintien de la forme et dans les fonctions cellulaires.
3) Micro filaments
L’actine et la myosine constituent les protéines fibrillaires les plus abondantes de la cellule. Elles ne représentent qu’un faible pourcentage des protéines totales. Dans les cellules musculaires(ou elles ont été découvertes en premier) elles ont une composition légèrement différente, elles sont présentes en grande quantité et ont une disposition architecturales particulier car elles forment l’appareil contractiles de la cellule musculaire.
Dans la cellule, actine et myosine sont les plus souvent localisées dans la zone sous membranaire ce qui explique qu’elles puissent provoquer des mouvements de segments entier de celle-ci. Il en résulte la formation de pseudopodes de villosité, d’ou éventuellement le déplacement de la cellule entière (exemple macrophage, globules blancs).Il existe dans la cellule bien d’autres protéines filamentaires.
3) Filaments intermédiaires
a)Les kératines
Ces protéines fibrillaires sont fabriquées par les cellules épithéliales
Mais pas par les cellules du mésenchyme. Le caractère biochimique essentiel de ces protéines est leur forte teneur en glycocolle et en sérine. L’enroulement de trois brins polypeptidiques en triple hélice réalise le profilement. L’enroulement en hélice de 11 profilements constitue la fibrille de kératine qui a 5 à 10 nm de diamètre. Il existe plusieurs types de kératine dans une cellule : certaines ont un Phi acide d’autres ont un phi alcalin de sortes qu’elles s’associent entre elles par des liaisons salines. Dans les cellules épithéliales en fin de différenciation, des kératines très riches en cystéine apparaissent, des ponts disulfures inter chaines se constituent ce qui rend leur architecture très solide.(elles sont présentes aussi dans les poils, les cheveux, les ongles ou elles occupent une position extracellulaire)b- Les filaments de désmine :
Ils sont présents surtout dans les cellules musculaires lisses et striées. Ces filaments sont vraisemblablement associés avec les filaments d’actine. On en trouve toutefois dans d’autres types de cellule.
c- Les filaments de vimentine :
Ils existent dans les cellules mésenchymateuses. Ils ont un aspect ondulé, et sont constitués par la polymérisation d’une sous unité de 52.000d. Ils ont un diamètre moyen de 10 nm. Ils sont souvent associés aux filaments de désmine.
d-Les neuro-filaments :
Ils sont caractéristiques des cellules nerveuses et sont constitués de trois chaines polypeptidiques de 210.000,160.000, 70.000 d.
e-Le G.F.A.P.(Glial fibriary acid protein)de masse moléculaire 51.000.
C) Organisation des protéines du noyau :
Le contenu du noyau est entouré d’une double membrane nucléaire ayant chacune la double couche phospholipidique habituelle. Un complexe nucléo protidique, appelé chromatine occupe cet espace. La chromatine équivalent en fait aux chromosomes ;
A certaines périodes, les chromosomes sont tellement dispersés dans tout le noyau que leur chromatine représente une masse compacte dans laquelle ils ne peuvent plus être individualisés par les méthodes cytologiques.
Dans l’espèce humaine, il y a 22 paires d’autosomes et deux chromosomes sexuels. Il est établi que chaque chromosome contient une seule molécule d’ADN bi caténaire fortement repliée sur elle-même et unie à des protéines qui la maintiennent en position fonctionnelle. Il y a dans las chromosomes 10 % d’ARN, 13 à 17 % d’ADN et 70 à 80 % de protéines.
Les protéines qui entrent dans la composition de l’édifice moléculaire chromosomique sont associées directement ou indirectement à la molécule d’ADN bi caténaire. Elles ont un rôle essentiel d’une part, dans la genèse et l’évolution de l’architecture des chromosomes, d’autre part, dans son fonctionnement et le contrôle de ses activités génétiques.
1- classification des protéines nucléaires: On classe ces protéines en deux groupes :
*les protéines histones très basiques
*les protéines non histones à caractère généralement acide.
a- Les histones :
Les histones sont les protéines les plus abondantes du chromosome. Elles sont essentiellement structurales et contribuent à former avec l’ADN l’ossature du chromosome.
Cinq types majeurs d’histones se retrouvent chez tous les eucaryotes : H1, H2A, H2B, H3, H4.
Les histones sont des petites protéines dont le PM varie entre 11.000 et 21.000.Elles sont riches en deux acides aminés basiques ; Lysine et Arginine, qui à eux deux composants 25% de l’unique chaîne polypeptidique de leur molécule.
Ces résidus basiques sont rassemblés en un bloc cationique très important en position N terminale pour les histones : H2A, H2B, H3, H4 et un second bloc de moindre importance en position C terminale, pour deux de ces histones H2A et H2B. Ces blocs cationiques adoptent une structure désordonnée du fait de l’existence de résidus de proline, glycine et sérine. La portion restante de ces molécules contient une majorité de résidus apolaires et prend une configuration tridimensionnelle à base d’hélice alpha et de feuillets beta. Cette organisation particulière confère aux histones deux propriétés majoritaires :
*Elles ont une très grande affinité pour l’ADN. Leurs extrémités électropositives sont responsables de leur fixation à l’ADN par interaction électrostatique avec les charges négatives des liaisons phospsodiées vers de l’ADN.
*Les histones s’associent très facilement entre elles par des liaisons hydrophobes entre les régions apolaires. Elles sont également susceptibles de contracter les associations avec les protéines non histones du chromosome.
L’histone H1 se distingue des autres histones par son PM élevé, son contenu exceptionnel en Lysine (25% des acides aminée de la molécule), son affinité moins forte pour l’ADN , sa structure secondaire plus désorganisée. Ses deux extrémités sont électropositives, mais la plus grande concentration en résidus basiques se trouve dans la région C-terminale.
b) Les protéines non histones :
Ces protéines sont au nombre de plusieurs centaines. Elles forment un groupe hétérogène ou on distingue :
*une trentaine de protéines, qui constituent l’échafaudage de soutien du chromosome métaphasique.
*des protéines contractiles (actine et myosine) qui interviennent lors des phénomènes de condensation et de décondensation du chromosome.
*des protéines de réplication et de restauration du chromosome
*des protéines de transcription
2-Organisation du complexe ADN-histone:
Les histones se complexent entre elles et avec l’ADN pour constituer des unités structurales répétitives et régulières unies entre elles par des liens flexibles. L’ensemble est comparable à un collier de perles. On donne le nom de nucléosome à l’unité structurale qui se répète. Le nucléosome est constitué de deux régions ; un noyau nucléosomique encadré par des liens internucléosomiques.
*Dans le noyau nucléosomique, la molécule d’ADN bi caténaire s’enroule deux fois dans le sens négatif autour d’un complexe protéique constitué par la réunion de quatre paires d’histones :
(H2A)2,(H2B)2,(H3)2,(H4)2.Cet octamère , en forme de cylindre plat est formé d’une part d’un tétramère (H3)2,(H4)2 et d’autre part de deux dimères (H2A-H2B).
*Au niveau des liens internucléosomiques, l’histone H1 est unie à H2A et H2B qui appartiennent également au noyau nucléosomique comme le montre la figure si dessous.
La fibre nucléosomique constitue donc l’ossature fondamentale du chromosome.
D-Organites inter cytoplasmique et cytoplasme :
On trouve dans la région péri nucléaire, un système de membranes phospholipidiques limitant un réseau de cavités de faible épaisseur : le réticulum endoplasmique (RE) et l’appareil de Golgi. Le RE contient en plus des enzymes membranaires un liquide de composition particulière très riche en ions Ca ++ dans les cellules musculaires striées par exemple. Le RE granulaire est tapissé de ribosomes dont la fixation est assurée par des protéines spécifiques présentes dans la membrane phospholipidique. Il contient des produits à sécréter, en particulier, les protéines synthétisées dans la cellule.
Dans les ribosomes, certaines protéines ont un rôle structural, d’autre ont un rôle enzymatique.les liaisons entre les diverses molécules constituant la sous unité sont non covalentes.
La matrice interne des mitochondries contient un liquide dans lequel dissoutes des protéines enzymatiques. On y distingue les enzymes du cycle de l’acide citrique, des enzymes catabolisant les acides gras, et enfin des enzymes servant à la synthèse protéique intra mitochondriales.
Les lysosomes contiennent un liquide de pH acide (5) riche en enzymes qui agissent seulement à ce pH. Ce sont des enzymes de dégradation, catalysant des hydrolyses (hydrolases).Il y a des protéinases (peptidases), des osidases, des lipases. Toutes les catégories de substrat peuvent donc être dégradées.
Les peroxysomes renferment des enzymes catalysant des réactions de peroxydation : Peroxydases et catalases.
Quant au cytoplasme ou cytosol, il est constitué d’une solution aqueuse dans laquelle, il y a à côté des ions minéraux, de nombreuses protéines solubles, qui lui confèrent une haute viscosité. Beaucoup d’entre elles sont des enzymes intervenant dans divers métabolismes comme ma transformation du glucose en acide pyruvique (glycolyse), le métabolisme des pentoses phosphates, la synthèse des acides des purines et pyrimidines, les réactions de transamination, la synthèse des acides gras